•Exigence concernant le feuille de cuivre
L’ensemble des circuits imprimés évoluent vers une plus grande densité et des lignes plus fines, en particulier les circuits imprimés HDI (High Density Interconnect). Il y a dix ans, un circuit imprimé HDI était défini par l’IPC comme un circuit dont la largeur de ligne (L) et l’espacement de ligne (S) étaient de 0,1 mm ou moins. À l’heure actuelle, cependant, la valeur standard de L et S dans l’industrie électronique peut être aussi faible que 60 μm et, dans des cas plus avancés, leur valeur peut descendre jusqu’à 40 μm.
La méthode traditionnelle de formation de motifs de circuits repose sur les procédés d’imagerie et de gravure, à la suite desquels la plus faible valeur de L et S atteint 30 μm grâce à l’utilisation d’un substrat en feuille de cuivre mince (d’une épaisseur comprise entre 9 μm et 12 μm).
Étant donné que le CCL (copper clad laminate) en feuille de cuivre mince présente un coût élevé et un empilage avec de nombreux défauts, de nombreux fabricants de PCB ont tendance à utiliser à la place la méthode de gravure par retrait de cuivre, avec une épaisseur de feuille de cuivre fixée à 18 μm. Cette méthode n’est en réalité pas recommandée, car elle comporte trop d’étapes, avec une épaisseur difficile à contrôler, et entraîne un coût plus élevé. Par conséquent, la feuille de cuivre mince est préférable. De plus, la feuille de cuivre standard ne fonctionne pas lorsque les valeurs de L et S de la carte sont inférieures à 20 μm. Enfin, il est conseillé d’utiliser une feuille de cuivre ultra-mince, dont l’épaisseur de cuivre est régulée dans une plage de 3 μm à 5 μm.
Outre l’épaisseur du feuillard de cuivre, les circuits fins actuels exigent également une faible rugosité de la surface du feuillard de cuivre. Afin d’améliorer la capacité d’adhérence entre le feuillard de cuivre et le matériau du substrat et de garantir la résistance au pelage des conducteurs, un traitement de rugosification est appliqué sur la surface du feuillard de cuivre, et la rugosité habituelle du feuillard de cuivre est supérieure à 5 μm.
L’intégration d’une bosse sur la feuille de cuivre dans le matériau du substrat vise à augmenter sa résistance au pelage. Cependant, afin de contrôler la précision des pistes pour éviter un sur-gravure lors de la gravure des circuits, des contaminants de bosse ont tendance à se former, ce qui peut provoquer un court-circuit entre les lignes ou une diminution de la capacité d’isolation, ce qui affecte particulièrement les circuits fins. Par conséquent, une feuille de cuivre à faible rugosité (inférieure à 3 μm ou même 1,5 μm) est requise.
En dépit de la réduction de la rugosité du feuillard de cuivre, la résistance au pelage des conducteurs doit encore être maintenue, ce qui suscite l’application de finitions de surface spéciales sur la surface du feuillard de cuivre et du matériau de substrat afin de contribuer à garantir la résistance au pelage des conducteurs.
•Exigence relative aux stratifiés diélectriques isolants
L’une des principales caractéristiques technologiques des circuits imprimés HDI réside dans le procédé de construction en couches (Building Up Process). Le RCC (Resin Coated Copper), qui est généralement appliqué, ou la stratification de tissu de verre époxy préimprégné et de feuille de cuivre, conduisent rarement à des circuits fins. Désormais, les procédés SAP et MSPA ont tendance à être utilisés, ce qui implique l’application d’une stratification de film diélectrique isolant avec placage chimique de cuivre pour générer un plan conducteur en cuivre. Des circuits fins peuvent être produits grâce à la minceur de ce plan de cuivre.
L’un des points clés du SAP réside dans le matériau diélectrique de stratification. Afin de répondre aux exigences des circuits fins à haute densité, certains critères doivent être imposés au matériau de stratification, notamment les performances diélectriques, l’isolation, la résistance à la chaleur et l’adhérence, ainsi qu’une adaptation technologique compatible avec les circuits imprimés HDI.
Parmi les boîtiers de semi-conducteurs à l’échelle mondiale, le substrat de boîtier CI est passé d’un substrat céramique à un substrat organique. Le pas du substrat de boîtier FC devient de plus en plus petit, de sorte que la valeur typique actuelle de L et S est de 15 μm et qu’elle sera encore réduite.
Les performances des substrats multicouches doivent mettre l’accent sur une faible constante diélectrique, un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) et une haute résistance à la chaleur, ce qui désigne un substrat répondant à un objectif de faible coût tout en satisfaisant les exigences de performance. De nos jours, la technologie MSPA de stratification diélectrique isolante couplée à une fine feuille de cuivre est appliquée à la production en volume de circuits fins. La technologie SAP est utilisée pour fabriquer des motifs de circuits dont les valeurs de L et de S sont toutes deux inférieures à 10 μm.
La haute densité et la finesse des circuits imprimés entraînent la conversion des PCB HDI d’une structure laminée avec noyau vers une structure à n’importe quelle couche sans noyau. Pour des PCB HDI ayant les mêmes fonctions, la surface et l’épaisseur de ceux comportant une interconnexion à n’importe quelle couche diminuent de 25 % par rapport à ceux avec lamination sur noyau. Une couche diélectrique plus fine, offrant de meilleures performances électriques, doit être utilisée dans ces deux types de PCB HDI.
Exigence découlant de la haute fréquence et de la haute vitesse
La technologie de communication électronique s’est développée du filaire au sans fil, et de la basse fréquence et faible vitesse à la haute fréquence et grande vitesse. Les performances des smartphones ont évolué de la 4G à la 5G, avec un besoin croissant de vitesses de transmission plus rapides et de volumes de transmission plus importants.
L’avènement de l’ère mondiale du calcul en nuage entraîne une multiplication du trafic de données, avec une tendance évidente vers des dispositifs de communication à haute fréquence et à grande vitesse. Pour répondre aux exigences de transmission à haute fréquence et à grande vitesse, les matériaux haute performance constituent l’élément le plus essentiel, en plus de la réduction des interférences et de la consommation du signal, de l’intégrité du signal et de la compatibilité de la fabrication avec les exigences de conception en termes de conception de PCB.
La principale tâche des ingénieurs consiste à attribuer les pertes de signal électrique afin d’améliorer la vitesse des PCB et de traiter les problèmes d’intégrité du signal. Sur la base des services de fabrication de PCBCart couvrant plus de vingt ans, en tant que facteur clé influençant la sélection du matériau de substrat, lorsque la constante diélectrique (Dk) est inférieure à 4 et la perte diélectrique (Df) inférieure à 0,010, il s’agit d’un stratifié à Dk/Df moyen, et lorsque la Dk est inférieure à 3,7 et la Df inférieure à 0,005, il s’agit d’un stratifié à faible Dk/Df. À l’heure actuelle, plusieurs types de matériaux de substrat peuvent être choisis sur le marché.
Jusqu’à présent, les matériaux de substrat de circuits imprimés haute fréquence couramment utilisés se répartissent principalement en trois types : résine de la série fluorée, résine PPO ou PPE et résine époxy modifiée. Le substrat diélectrique de la série fluorée, par exemple le PTFE, qui présente les meilleures performances diélectriques (constante diélectrique la plus faible), est généralement utilisé pour les produits dont la fréquence est de 5 GHz ou plus. Le substrat en époxy modifié FR-4 ou en PPO est quant à lui utilisé pour les produits dont la fréquence se situe entre 1 GHz et 10 GHz.
En comparant les trois types de matériaux de substrat haute fréquence, la résine époxy est la moins chère, tandis que la résine de la série fluorée est la plus coûteuse. En termes de constante diélectrique, de perte diélectrique, d’absorption d’eau et de caractéristiques en fréquence, la résine de la série fluorée présente les meilleures performances, tandis que la résine époxy est moins performante. Lorsque la fréquence utilisée par les produits dépasse 10 GHz, seule la résine de la série fluorée fonctionne. Les inconvénients du PTFE incluent un coût élevé, une mauvaise rigidité et un coefficient de dilatation thermique élevé.
Pour le PTFE, des matières inorganiques massives (telles que le dioxyde de silicium) peuvent être utilisées comme matériau de remplissage ou comme tissu de verre afin de renforcer la rigidité du matériau de substrat et de réduire le coefficient de dilatation thermique. En outre, comme la molécule de polyflon est difficile à combiner avec le cuivre en feuille en raison de son inertie, il est nécessaire de mettre en œuvre un traitement de surface spécial compatible avec le cuivre en feuille. La méthode de traitement consiste soit à effectuer une gravure chimique sur la surface du polyflon afin d’augmenter la rugosité de surface, soit à ajouter un film de liaison afin d’accroître la capacité d’adhérence. Avec l’application de cette méthode, les performances diélectriques pourront éventuellement être affectées et un développement ultérieur devra être mené pour l’ensemble des circuits haute fréquence à base de fluor.
Une résine isolante unique composée de résine époxy modifiée ou de PPE et de TMA, de MDI et de BMI, associée à un tissu de verre, est davantage utilisée. Similaire au CCL FR-4, elle présente également une excellente résistance à la chaleur et de bonnes propriétés diélectriques, une résistance mécanique élevée, ainsi qu’une bonne fabricabilité des PCB, ce qui la rend plus populaire que les substrats de type PTFE.
Outre les exigences relatives aux performances des matériaux isolants tels que la résine mentionnées ci-dessus, la rugosité de surface du cuivre en tant que conducteur est également un élément important influençant la perte de transmission du signal, qui résulte de l’effet de peau. En termes simples, l’effet de peau correspond au fait que l’induction électromagnétique générée dans les conducteurs lors de la transmission de signaux à haute fréquence et l’inductance se concentrent au centre de la section du conducteur, forçant le courant ou le signal à se concentrer à la surface du conducteur. La rugosité de surface des conducteurs joue un rôle clé dans l’influence sur la perte de signal de transmission, et une faible rugosité entraîne une faible perte.
À une même fréquence, une rugosité de surface élevée du cuivre entraîne une forte perte de signal. Par conséquent, la rugosité du cuivre de surface doit être contrôlée dans la fabrication pratique et elle doit être aussi faible que possible dans les conditions où l’adhérence n’est pas affectée. Une attention particulière doit être portée aux signaux dans la catégorie de 10 GHz ou plus. La rugosité du cuivre en feuille doit être inférieure à 1 μm et il est préférable d’utiliser une feuille de cuivre ultra-lisse avec une rugosité de 0,04 μm. La rugosité de surface de la feuille de cuivre doit être associée à un traitement d’oxydation approprié et à un système de résine adhésive adapté. Dans un avenir proche, il pourrait exister un type de feuille de cuivre dont le contour n’est pas recouvert de résine et qui présente une résistance au pelage plus élevée, tout en empêchant que la perte diélectrique ne soit affectée.
Avec la tendance au développement vers la miniaturisation et les hautes fonctionnalités, les dispositifs électroniques ont tendance à générer une plus grande quantité de chaleur, de sorte que la gestion thermique des dispositifs électroniques impose des exigences de plus en plus élevées. L’une des solutions à ce problème réside dans la recherche et le développement de circuits imprimés à haute conductivité thermique. La condition première pour qu’un PCB présente de bonnes performances en résistance et dissipation de chaleur est la capacité de résistance et de dissipation thermique du substrat. Les améliorations actuelles en matière de capacité de conduction thermique des PCB reposent sur l’optimisation de la résine et l’ajout de charges, mais cela ne fonctionne que dans une catégorie limitée. La méthode typique consiste à utiliser des IMS ou des circuits imprimés à cœur métallique qui jouent le rôle de composant chauffant. Comparée au radiateur et au ventilateur traditionnels, cette méthode présente des avantages tels qu’un faible encombrement et un coût réduit.
L’aluminium est un matériau très attractif présentant les avantages de ressources abondantes, de faible coût et d’excellentes propriétés de conductivité thermique et de résistance.De plus, il est tellement respectueux de l’environnement qu’il est utilisé avec la plupart des substrats ou noyaux métalliques. En raison d’avantages tels que l’économie, la fiabilité de la connexion électrique, la conductivité thermique et la haute résistance, l’absence de soudure et l’absence de plomb, le circuit imprimé à base d’aluminium a été appliqué aux biens de consommation, aux automobiles, aux produits militaires et aux produits aérospatiaux. Il ne fait aucun doute quant à la résistance à la chaleur et aux propriétés de dissipation des cartes à base métallique, et le point clé réside dans les performances d’adhérence entre la plaque métallique et le plan de circuit.
À l’ère de l’électronique moderne, la miniaturisation et l’amincissement des appareils électroniques ont conduit à l’apparition nécessaire de circuits imprimés rigides et de circuits imprimés flex-rigides. Quel type de matériau de substrat leur convient donc ?
L’augmentation des domaines d’application des circuits imprimés rigides et des circuits imprimés flex-rigides entraîne de nouvelles exigences en termes de quantité et de performance. Le film en polyimide, par exemple, peut être classé en plusieurs catégories, notamment transparent, blanc, noir et jaune, avec une haute résistance à la chaleur et un faible coefficient de dilatation thermique, afin d’être utilisé dans différentes situations. De même, le substrat en Mylar, très rentable, sera également accepté par le marché en raison de ses avantages, notamment une grande élasticité, une stabilité dimensionnelle, une qualité de surface du film, un couplage photoélectrique et une résistance aux environnements, afin de répondre aux exigences changeantes des utilisateurs.
De même que les circuits imprimés rigides HDI, les circuits flexibles doivent s’adapter aux exigences de transmission de signaux à haute vitesse et haute fréquence ; il est donc également nécessaire de se concentrer sur la constante diélectrique et la perte diélectrique du matériau de substrat flexible. Le circuit flexible peut être constitué de polytétrafluoroéthylène et de substrat en polyimide avancé. De la poussière inorganique et des fibres de carbone peuvent être ajoutées à la résine de polyimide pour former un substrat flexible de dissipation thermique à trois couches. Le matériau de remplissage inorganique peut être du nitrure d’aluminium, de l’oxyde d’aluminium ou du nitrure de bore hexagonal. Ce type de matériau de substrat présente une conductivité thermique de 1,51 W/mK et est capable de résister à une tension de 2,5 kV et à une courbure de 180 degrés.
Les circuits imprimés flexibles (Flex PCBs) sont principalement utilisés dans les téléphones mobiles intelligents, les appareils portables, les équipements médicaux et la robotique, ce qui impose de nouvelles exigences à la structure des circuits imprimés flexibles. Jusqu’à présent, certains nouveaux produits intégrant des circuits imprimés flexibles ont été développés, tels que des circuits imprimés flexibles multicouches ultrafins dont l’épaisseur est passée de 0,4 mm à 0,2 mm. Les circuits imprimés flexibles à transmission haute vitesse peuvent atteindre une vitesse de transmission de 5 Gbps grâce à l’utilisation d’un substrat en polyimide à faible Dk et Df. Les circuits imprimés flexibles pour forte puissance utilisent des conducteurs dont l’épaisseur dépasse 100 μm afin de répondre aux exigences des circuits à haute puissance et fort courant. Tous ces circuits imprimés flexibles spéciaux nécessitent naturellement des matériaux de substrat non conventionnels.
Cet article traite, d’un point de vue scientifique et professionnel, des lignes directrices pour le choix du matériau de substrat de vos circuits imprimés. Si vous êtes peu familier avec les termes relatifs aux propriétés des matériaux de substrat, tels que la constante diélectrique (Dk), le facteur de dissipation (Df), la rugosité de surface, la température de décomposition thermique, le CTE, etc., voici une méthode rentable pour déterminer un matériau de substrat approprié.
En tant que l’un des principaux fournisseurs mondiaux de services de fabrication de circuits nus, d’assemblage de PCB et d’approvisionnement en composants, PCBCart est spécialisé dans la personnalisation de solutions PCB optimales pour les clients, en fonction de leurs exigences en matière de fiabilité et de coût. Afin de parvenir à un choix de matériau de substrat et à une production de PCB satisfaisants, nos ingénieurs prennent en compte tous les facteurs, y compris la fonction et l’environnement d’application des PCB, ainsi que le budget de votre projet et les exigences de performance du produit. À ce jour, nous avons pris en charge des centaines de milliers de projets de PCB sur des PCB FR4, des PCB Rogers, des PCB flexibles/rigides-flexibles, des PCB à cœur métallique, etc., avec un taux de satisfaction client de 99 %.Vous pouvez être sûr que PCBCart choisira le matériau de substrat de PCB idéal pour votre projet et fabriquera vos circuits imprimés avec les performances optimales qu’ils méritent !
Vous voulez savoir combien coûte la fabrication de votre PCB ? Cliquez sur le bouton ci-dessous pour obtenir un devis en ligne pour des PCB avec substrat FR4. Si vous recherchez des PCB avec des matériaux de substrat spéciaux, tels que des PCB flexibles, des PCB Rogers, des PCB à base d’aluminium, etc., veuillezsoumettre une demande de devis icipour devis manuel.
Obtenez un devis instantané pour la fabrication de vos circuits imprimés FR4
Ressources utiles
•Services complètes de fabrication de circuits imprimés couvrant presque tous les types de PCB
•Services avancés d’assemblage de circuits imprimés avec de multiples options à valeur ajoutée
•Composition et présentation des matériaux de PCB
•Une introduction complète au stratifié cuivre-clad
